生態流量方法應用現狀研究

李 強,王俏俏,陳紅麗,秦艷麗,張明芳,劉世榮

1 西北農林科技大學林學院,楊凌 712100 2 電子科技大學資源與環境學院,成都 611731 3 中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所,北京 100091

隨著社會經濟的發展,人們對自然資源的開發和利用逐漸增強,流域生態問題愈發顯著,水資源利用成為了限制流域可持續和高質量發展的關鍵因素[1-4]。為了減緩流域生態問題,實現流域的高質量發展,國外的研究學者在19世紀提出了“生態流量”、“環境流量”、“生態需水”和“生態基流”等一系列概念,后于20世紀70年代引入我國,用以解決水資源矛盾,緩解用水壓力,維持工農業用水和生態需水量之間的平衡[2,5]。生態流量是指為了維系河流、湖泊等水生態系統的結構和功能,需要保留在河湖內符合水質要求的流量(水量、水位)及其過程[6]。如何在水資源剛性需求的巨大壓力下,保證流域的生態用水,在改善用水需求和控制節水的同時滿足社會經濟需水,使流域更好地發揮生態作用是現今流域管理面臨的難題。當前,國內外專家學者使用不同的研究方法確定河流生態流量,但系統性地歸納總結研究較少,導致在流域管理中,生態流量的適用性考慮不夠,不利于河流生態流量確定和水資源的高效利用。本研究將系統地歸納總結各方法的優缺點,并針對其適用性對研究方法進行評述和現狀分析,促進生態流量在國內流域管理領域的研究,對國家流域生態管理和水資源的健康可持續發展具有重要現實意義。

1 生態流量的評估方法

目前,國內外確定河流生態流量的方法共有200多種[7],主要分為水文學方法、水力學方法、生物棲息地法以及整體分析法四類。由于不同河流水文過程和生態需水的復雜性,計算方法的適用性及優缺點各不相同(表1),代表方法眾多(表2)。最初興起的方法是水文學法,生態流量設定較為簡單,依靠特定物種或水文指標計算,但并未全面考慮河流自然特征,因此水力學法用來彌補水文學法的不足,逐漸得到應用。而隨著生態保護理念的發展,傳統水文指標或河流自然特征已無法滿足水生生物多樣性的需求,研究者逐步探索生物棲息地法和整體分析法的應用。隨著生態流量評估方法的不斷發展,實際應用于流域時所需數據量不斷增加,計算更加復雜,對特定物種的針對性和生態系統的整體性越來越強,評估結果的準確性也逐步提高,管理目標也更易實現。

表1 生態流量評估方法Table 1 The assessment methods of ecological flow

表2 生態流量評估代表方法Table 2 Representative methods of ecological flow assessment

水文學方法又稱快速評價法或標準設定法,是應用最為廣泛的一種方法,代表方法眾多(表2)。該方法根據自然河流的特征開發,不在特定物種的水平上運行,以河流歷史水文數據為基礎進行數據分析,根據水文指標確定河道生態流量,并提供旨在保護河流生物完整性的整體流量水平。其中Tennant法[14]因為應用簡單在國內外應用較廣,但其推薦生態流量較為寬泛,因此需要結合河流的實際情況進行計算修訂。例如,李計生等使用結合中位數法和眾數法改進的Tennant法,在祁連山討賴河流域將一般用水期和用水高峰期的生態流量劃分為7個等級進行評價,確定了更科學合理的生態流量[15]。但該法尚未考慮時間尺度的流量變化,而流量歷時曲線(Flow Duration Curve,FDC)法可構建逐月月均流量和年均流量序列,并劃分為豐、平、枯水年,能較好地體現流量年內及年際的空間移植性和時間變異性,避免了極端流量事件和年內分配不均的影響[19]。以上兩種方法應用廣泛,但未考慮人類活動對水文要素及河流流量的干擾。因此,Richter等提出了水文指標法(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)[22]和變化范圍分析法(Range of Variability Approach,RVA)[25],用以量化人類活動干擾前后河流流量的變化。不同于以上方法,NGPRP(Northern Great Plains Resource Program)法更多地考慮了氣候對流量的影響。蘇恒等和宋增芳等分別在西江大湟江口河段和黑河干流采用多種水文方法計算生態流量,結果均表明應用NGPRP法計算最為準確,驗證了在氣候變化情況下NGPRP法對于我國南方季節性河流的適用性較好[48-49]。

水力學法是基于河流的一些水力參數和幾何參數來描述簡單的冪函數,并將水力變量的變化描述為流量的函數,量化河道內生態流量的一類方法。濕周法以河道斷面的濕周長為評價指標,在計算時多概化實際河道斷面,王明凈等在云南?？诤恿饔蜓芯堪l現矩形概化法得到的河道內生態流量結果偏差最低[50];夏威等利用這一特性在廣州三水區評估河流不同斷面所需的生態流量,推進了城市河網生態流量保障工作[51]。而R2-cross 法則更多側重于具體物種或生命階段,例如李洋等在雅礱江錦屏大河灣流域應用R2-cross 法研究了汛期能夠保護銅魚產卵場的生態流量[52];此外,郭新春等根據西南地區山區小型河流梯級水電站實際情況,對R2-cross法的水力參數標準進行一定修正,提高了山區小型河流生態流量計算的準確性[53]。

生境模擬法也稱為棲息地法,從生物生態環境狀況和生物適宜棲息地特征入手,利用數值模擬方法建立生物棲息地面積與流量的響應關系,計算河流生態流量。代表方法有河流流量增量法(Instream Flow Incremental Methodology,IFIM)、PHABSIM(Physical Habitat Simulation System)模型、統計棲息地模型和生物能模型等。IFIM應用多是為保障魚類的生存繁殖,如周華彬等應用該方法構建四大家魚在珠江流域西江中上游的產卵場適宜性曲線,保障四大家魚自然繁殖的生態流量[54];邵甜等則以齊口裂腹魚為主要保護對象在大渡河流域應用IFIM建立生境適應性曲線,研究了流量變化與魚類產卵場棲息地生境指標的響應關系[55]。PHABSIM模型更側重于物理棲息地模擬,其性能在岷江上游流域得到驗證,吉小盼等應用3種不同方法探討重口裂腹魚產卵期生境需水量,對比表明PHABSIM模型的結果最優[56];魏卿等運用PHABSIM模型模擬鱖魚產卵期的棲息地流量,并分析流域環境變化對魚類棲息地的影響,為淮河流域魚類繁殖期的生態流量提供參考[57]。

整體分析法是從生態系統整體出發,并利用專家的經驗來彌補生態資料的缺失,調節河流流量使其能夠同時滿足棲息地穩定、物種連續、泥沙沉積、水質平衡及水域景觀等功能。代表方法有模塊構建法(Building Block Methodology,BBM)[43]、DRIFT法(Downstream Response to Imposed Flow Transformations)[44]和水文變化的生態限度方法(Ecological Limits of Hydrologic Alteration,ELOHA)[45]等。不同學者針對玉龍喀什河流域的水利工程應用BBM法計算魚類產卵敏感期的需水,為水庫運營提供了生態借鑒和數據支撐[58-59]。在南非奧利凡茨河流域,DRIFT法用于提供河流生態系統的不同流量情景,并闡明了不同流量情景產生的后果,供研究者在研究時間和經費限制、歷史數據缺乏以及水資源開發的各要素權衡的情況下保證河流生態系統的穩定[60]?；诹饔蜃兓c生物之間的關系,研究者在美國南加州圣地亞哥河流域應用ELOHA評估了未來土地利用變化對流域水生生物的影響,并利用流量-生態關系將流域區域劃分為不同的流量管理類別,為子流域或流域規模的未來規劃決策提供信息[61]。DRIFT法和ELOHA法在國內鮮少應用,主要由于這兩種方法基于情景或理論框架,需要結合河流相關數據、專家經驗等內容進行模擬,在國內流域水系縱橫交錯的情況下可操作性不高。

除以上四種方法,一些學者針對不同的水文情況提出了許多新的研究方法,并將水量調節、生態服務、水質等因素納入生態流量的評估。1)在水量調節方面,生態水力半徑法(Adapted Ecological Hydraulic Radius Approach,AEHRA)適用于生態和水文數據有限的河流,在不需要任何流態的情況下能綜合考慮河流參數和水生生態系統的信息,并且能反映月生態流量和月河道內生態水位的季節變化[62]。而可變區間分析法(Variable Interval Analysis Method,VIAM)則綜合考慮了時空尺度變化、水文條件變化、生態服務對象變化、計算方法變化等多種可變因素,能夠快速適應實際應用中的流量需求變化,為管理者提供可視化的決策支持[63]。在考慮生態系統與農業灌溉季節性用水沖突的情況下,學者們提出了一種基于貝葉斯網絡的環境流量決策方法,根據決策者可接受的經濟損失確定河流最佳生態流量[64-65]。2)在生態服務方面,Cheng等則將系統經濟服務功能和生態服務功能的總經濟價值納入河流生態基流決策框架,通過量化河流系統經濟服務功能和生態服務功能的經濟價值變化,在經濟和生態服務功能達到最大時,確定該流量為河流生態流量[66]。Yan等建立了面向生態流量的水資源配置與模擬框架E-WAS,模擬流域的生態補水過程,提供優化補水方案[67]。3)在水質方面,基于河流生態系統中水生生物群生存所需的水量和水質,Zhao等提出了一種實用的流量調節和污染控制方法,可以動態調控河流流量和控制污染物排放,有助于河流管理和生態系統修復[68]。Pang等使用水質建模法(Water Quality Modelling Approach,WQMA)計算渭河流域的生態流量,綜合考慮了滿足水質需求的自凈流量和現有水生生物棲息地的流量需求[69]。以及呂寶闊使用水動力-水質耦合模型,綜合分析水文要素和水環境兩方面內容,模擬計算了遼河流域中下游平原區干流河道的生態流量[70]。4)在整體分析方面,國內學者針對北方河流生態流量確定的難點構建了河流生態流量嵌套計算框架,在系統分析河流水文情勢和生態保護目標的基礎上,識別河段存在的水生態問題,綜合考慮生態完整性、生物多樣性、形態多樣性和生態服務功能;國外為了滿足高度發展變化區域的生態流量需求,研究者開發了加州環境流量框架,這是一種在高度修改的系統中確定生態流量需求的方法,可為多樣化的物理景觀和廣泛的管理環境中制定生態流量建議提供指導[71]。然而,上述方法均需耗費大量的人力或物力且各自適用條件不同。為了簡化生態流量的計算方法,Gleeson和Richter提出保障地下水對月基流的90%可作為環境流量的新標準[72],Graaf等以此在全球進行量化,發現生態流量是限制地下水開采量的主要因素[73]。

2 中國流域的生態流量及其評估現狀

近年來,我國水環境持續向好,但仍存在一些水生態問題。以目前研究較多的流域為例,黃河流域的流量總體呈下降趨勢,上游流量主要受到氣候變化的影響,中游為氣候、植被恢復和農業灌溉等綜合作用,下游流量除了人為用水還受到泥沙淤積等影響,生態失衡一直是黃河流域亟待解決的問題[74-76]。全流域用水結構中農業用水總量遠大于生態用水,流域水資源開發利用率遠超一般流域40%的生態警戒線,梯級水庫的調控對生態流量變化的影響較大,使下游河流生態系統受到嚴重威脅[75,77-78]。長江流域地域廣闊,不同水系水文特征差異明顯,全流域各級河流水資源開發利用率差異較大,上游地區存在工程性缺水問題,中下游地區圍湖造田、水利工程建設等削弱了湖泊的蓄調能力,導致部分河流屬性和自然水文過程發生改變,水生生境片段化嚴重,河湖連通性下降,且長江流域物種豐富,生態敏感區流量要求復雜多變,水生生物多樣性保護困難,生態流量目標難以準確設定[79-81]。珠江流域水資源豐富,但近年正處于長時序列的枯水期,生態流量保障不足,早期的水電工程未考慮水生生物的生態需求,導致河流原生生境破碎化加劇,水文節律發生明顯改變,流域內部分水域水污染問題突出,低流量下水質自凈能力不足,導致水生生境萎縮,生物多樣性下降[82-84],流域內生態流量的目標制定尚不明確,地貌特征及水文地質條件則導致河道內生態流量的確定更加困難。遼河流域水資源短缺,但長期開發利用程度遠超40%警戒線,水污染嚴重,且河道持續斷流,干流水生態環境嚴重退化,生態流量保障不足[45,85-86]。松花江流域水系復雜,河湖眾多,隨著流域水資源開發強度逐步提高,區域水資源供需矛盾加劇,大量水利工程使得流域水生生境連通性下降,導致魚類生境萎縮,水生生物多樣性顯著下降,生態退化明顯,生態流量難以確定[87-89]?；春恿饔蛩Y源短缺但開發利用程度高,經濟社會發展占用河流生態用水,在缺水季節或年份嚴重時會引起河道斷流。加之尚未建立流域層面生態流量統一調度的制度,生態流量調度難度大,且尚未構建完整的生態流量監測、預警和考核體系,需進一步加強生態用水保障,提高生態流量保證程度[90-92]。海河流域河湖修復保護工作有序推進,但流域仍存在河道斷流,水體污染,濕地萎縮,生物多樣性減少等情況,敏感生態需水達標率低于40%,生態流量滿足度較差[93-95]。

當前國內生態流量研究隨著方法復雜程度的增加應用越來越少(圖1)。在四大類方法中,水文學法在國內的應用次數遠超其他三種方法,為了保證使用此類方法評估生態流量的準確性,研究者在具體應用時會同時使用多種水文學法進行生態流量評估,再對結果進行對比分析,推薦適宜的生態流量;另一部分則是在原有水文方法的基礎上進行改進和優化,使其更符合實際的河流情況。流域的生態流量評估多針對流域內部分河流或河段,全流域評估較少。水生態系統的生態流量需求還停留在某單一物種或某一類物種的評估,評估結果只能作為水生態系統保護的宏觀參考?，F有的生態流量研究與流域水生態保護管理的目標仍存在一定差距,根據國內生態流量的評估現狀,有如下建議:1)在未有統一河湖保障管理措施和受人類活動影響較小的自然流域采用水文學法或水力學法評估生態流量。這類流域多為小型河流,流域面積小,河流流量主要受氣候影響,因此應用以河流歷史水文數據為基礎的水文學法或以河流自然特征為基礎的水力學法就可以滿足其生態流量需求。2)對于受人類影響較大的流域,則需綜合考慮人類活動對流域的影響。在修建梯級水庫和水利水電工程的流域,河流流量受水庫調節,多會出現生境片段化問題,可根據具體需求選擇生態流量評估方法。以保護瀕危物種為目標的流域,可選擇生境模擬法,通過建立水生生物和流量之間的響應關系保障生態流量;要實現全流域生態調度,保障水生生態系統穩定,可以選擇整體分析法綜合考慮生態用水、工農用水和氣候條件等因素。3)在已經制定河湖管理措施或生態流量保障機制的流域,專家意見可為流域生態流量評估提供參考,這類流域通常情況復雜,水生態問題亟待解決,建立模型能更好地擬合流域的實際情況,為流域生態環境保護和生態流量評估提供決策。

圖1 國內各生態流量研究方法文獻數量Fig.1 The number of domestic ecological flow research methods literature 數據來源于中國知網中文總庫。采用高級檢索功能,主題為“生態流量”、“環境流量”和“生態需水”等,篇關摘為各種方法,再將檢索出的文獻數量進行整合

根據國內現有河湖保障措施及流域生態流量管理提出以下建議:①根據流域的來水量和用水需求,合理制定生態流量目標。構建流域生態功能保護體系,推進以合理水量保護和修復流域生態空間功能,強化流域水量管理。②落實流域內水利水電工程,合理調度保障生態流量。推進生態優先的流域水量分配方案執行和優化調整,適應新形勢水資源變化及流域資源保護要求。③增強流域內生態流量監測管理,強化流域水資源統一調度。落實資源與生態保護硬約束要求,對流域水資源進行動態調整和管理監督,堅決遏制流域超指標、超計劃用水和生態破壞事件。④推動流域制度法規建設,為水量調度提供制度保障。制定流域生態保護法規政策,推動流域生態補償制度,強化流域內水量調度工作的系統性、整體性協同[6,77,81,96]。

3 結論與展望

目前,四種生態流量研究方法中最簡單的水文學法廣泛應用于全國大部分流域,而復雜的生境模擬法和整體分析法在國內應用較少。隨著生態流量研究的深入,學者們的關注點逐漸從河流生態流量確定發展為流域內生物生存需求,再耦合生態流量和社會用水需求,最終實現生態流量調度目標。

傳統的生態流量研究大多圍繞河流的歷史水文數據、河流自然參數和生態調查進行,以水文序列的穩態性作為研究基礎。但目前全球環境變化加劇,極端天氣頻發,水文序列非穩態性突顯,氣候及水文條件的變化會對河流水生態系統帶來極大影響[97-98]。傳統通過單一水文序列的河流生態流量研究可能因為氣候環境變化而在實際應用中出現較大誤差,已不適用于當前國內的水環境現狀。河流原有的生態流量需求,應在環境變化的基礎上重新認識和評估。未來的生態流量研究應更多地納入環境、氣候等變化因素,建立適應性更強的研究方法。

雖然在過去的幾十年,國內生態流量研究出現大量研究成果,但絕大多數圍繞單一河流或大流域部分河段展開,鮮少在大型流域的全流域進行應用。部分研究方法雖無適應性要求,但使用時極其復雜,且不同流域的氣候狀況、水文條件和生態需求不同,因此生態流量研究存在較大差別,河流生態流量無法用統一的標準衡量[99-100]。近年水文、氣象等相關基礎學科的發展將生態流量研究推廣至全流域甚至更大尺度,生態水文有極強的空間異質性,生態流量研究更多地需要考慮生態和水文之間的內在機理[3]。

在全球性環境變化和日益增長的人類社會需求背景之下,人類活動和頻發的極端氣候事件對河流生態影響顯著?；谕庠谝蛩氐目焖僮兓?現在的生態流量研究應更多地偏向于適應性更強、應用范圍更廣、生態系統整體性更高的多因素-生態耦合框架,逐漸從理論研究進入實踐管理階段,通過有效評價河流的生態健康,將其應用于生態管理調度,實現流域水資源的可持續和高質量發展。